Ảnh hưởng của nhiệt độ đế lên tính chất mang siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ HÈ ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾ LÊN TÍNH CHẤT MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO YBa2Cu3O7-δ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI – 2015 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ HÈ ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾ LÊN TÍNH CHẤT MÀNG SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO YBa2Cu3O7-δ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:TS Trần Hải Đức HÀ NỘI – 2015 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực hoàn thiện khóa luận nhận quan tâm giúp đỡ thầy hướng dẫn ủng hộ thầy cô, bạn khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy hướng dẫn: TS Trần Hải Đức, người thầy hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian làm khoá luận Tôi xin gửi làm ơn chân thành tới bố mẹ người thân gia đình Những người bên cạnh động viên vượt qua khó khăn sống học tập Hà Nội, tháng năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Thị Hè LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan viết Các số liệu nêu khóa luận tốt nghiệp trung thực Tôi xin cam đoan rằng, giúp đỡ khóa luận cảm ơn thông tin trích dẫn ghi rõ nguồn gốc Hà Nội, tháng năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Thị Hè MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO YBa2Cu3O7- 1.1 Sơ lược vật liệu siêu dẫn ứng dụng 1.2 Các thông số tới hạn vật liệu siêu dẫn 1.2.1 Nhiệt độ tới hạn độ rộng chuyển pha 1.2.2 Từ trường tới hạn 1.2.3 Mật độ dòng tới hạn 11 1.2.4 Trạng thái hỗn hợp tâm xoáy từ 12 1.3 Cấu trúc tinh thể vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7- 13 1.4 Mục đích nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao 14 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 15 2.1 Chế tạo mẫu 15 2.1.1 Chế tạo mẫu gốm (bia) YBCO 15 2.1.2 Chế tạo màng YBCO 18 2.2 Các phép đo tính chất cấu trúc, tính chất siêu dẫn 22 2.2.1 Tính chất cấu trúc 22 2.2.2 Tính chất siêu dẫn 25 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Tính chất cấu trúc 27 3.1.1 Kết đo nhiễu xạ tia X 27 3.1.2 Kết đo hình thái bề mặt mẫu 29 3.2 Tính chất siêu dẫn 30 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ Bảng 1.1 Một số chất siêu dẫn điển hình Hình 1.1 Mẫu vật liệu siêu dẫn YBCO nâng nam châm với khối lượng khác Hình 1.2 Cấu trúc băng siêu dẫn Hình 1.3 Đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ Hg Hình 1.4 (a), (b) Đồ thị từ trường tới hạn phụ thuộc nhiệt độ, (c), (d) độ từ hóa phụ thuộc từ trường chất siêu dẫn loại I loại II 10 Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể ô mạng YBCO 13 Hình 2.1 Sơ đồ hệ lắng đọng laze xung 18 Hình 2.2 Các giai đoạn trình lắng đọng laze xung 20 Hình 2.3 Sự tán xạ chùm tia X mặt phẳng tinh thể 23 Hình 2.4 Sơ đồ bố trí Vôn kế Ampe kế phép đo mũi dò 25 Hình 2.5 Sơ đồ phân bố dòng điện, điện trở thành phần mạch điện phép đo mũi dò 25 Hình 3.1 Đồ thị nhiễu xạ tia X mẫu YBa2Cu3O7-δ chế tạo nhiệt độ (a) 720oC, (b) 740oC, (c) 760oC, (d) 780oC, (e) 800oC 27 Hình 3.2 Hình ảnh SEM mẫu YBCO chế tạo nhiệt độ khác 29 Hình 3.3 Đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ màng YBCO chế tạo nhiệt độ (a) 740oC, (b) 780oC, (c) 800oC (d) bảng số liệu so sánh 31 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Sự phát tượng siêu dẫn khả ứng dụng rộng rãi tính chất nhiều lĩnh vực bước đánh dấu đặc biệt phát triển khoa học công nghệ mở hướng nghiên cứu thu hút nhiều quan tâm nhóm nghiên cứu nước Trước thập kỉ 1980 siêu dẫn nhiệt độ thấp tìm thấy kim loại hợp kim, làm lạnh đến nhiệt độ thấp 23K lý thuyết BCS giải thích cách định lượng Cho đến năm 1986, Georg Bednorz Alex Muller phát vật liệu mới: cấy nguyên tố lạ vào oxít đồng - bari oxít đồng -bari trở thành vật liệu siêu dẫn có cấu trúc tương tự với nhiệt độ chuyển pha cao hơn, chí cao nhiệt độ nitơ lỏng 77K Mở khả cho ứng dụng Chất siêu dẫn (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3O3 (BSCCO) gọi siêu dẫn nhiệt độ cao (high temperature superconductors - HTS) hệ thứ chế tạo Tuy nhiên, kết thực nghiệm cho thấy mật độ dòng tới hạn (Jc) BSCCO thấp dẫn đến phạm vi ứng dụng chưa rộng rãi - xung quanh vùng nhiệt độ 20K Sự phát triển HTS hệ thứ YBa2Cu3O7-(YBCO) hay (RE) Ba2Cu3O7- (REBCO, RE viết tắt nguyên tố đất hiếm) dự kiến khắc phục yếu điểm dây BSCCO hệ thứ nhất, YBCO REBCO có Jc cao nhiệt độ nitơ lỏng 77K có từ trường mạnh Do YBCO REBCO có đóng góp to lớn sản xuất ứng dụng thương mại công nghiệp, mở bước tiến đáng kể công nghiệp điện, điện tử Bước đầu làm quen với việc nghiên cứu, chọn đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng nhiệt độ đế lên tính chất màng siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ” làm khóa luận tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ chế tạo lên tính chất màng siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ chế tạo lên tính chất màng siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ Đối tƣợng nghiên cứu - Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7-δ Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng chủ đạo thực nghiệm - Chế tạo mẫu gốm YBa2Cu3O7-δ phương pháp phản ứng pha rắn - Chế tạo mẫu màng YBa2Cu3O7-δ phương pháp phún xạ laze xung Dự kiến đóng góp - Tìm phương pháp chế tạo vật liệu YBa2Cu3O7-δ làm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao - Với việc nhận kết mới, có tính hệ thống lĩnh vực nghiên cứu có định hướng ứng dụng thuộc chuyên ngành Khoa học Vật liệu Góp phần đẩy mạnh hướng nghiên cứu lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao CHƢƠNG GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO YBa2Cu3O7- 1.1 Sơ lƣợc vật liệu siêu dẫn ứng dụng Việc phát tượng siêu dẫn vào năm 1911đã mở kỉ nguyên lịch sử vật lí Kể từ đó, tượng nhà khoa học nghiên cứu sâu rộng để tìm ứng dụng tiềm cho vật liệu có điện trở không nhiệt độ định ứng dụng với quy mô lớn Có thể nói việc hóa lỏng heli tiền đề cho phát minh siêu dẫn Sau nhiều năm nghiên cứu, năm 1914 tượng dòng điện phá vỡ trạng thái siêu dẫn phát năm đó, Kamerlingh Onnes chế tạo nam châm siêu dẫn Năm 1933, hai nhà khoa học Meissner Ochsenfeld công bố rằng: chất siêu dẫn làm lạnh từ trường nhiệt độ chuyển pha đường cảm ứng từ bị đẩy Hiệu ứng mang tên hiệu ứng Meissner Trong suốt khoảng thời gian từ năm 1911 đến 1985, chất siêu dẫn tìm có nhiệt độ chuyển pha không vượt 24K chất lỏng He môi trường dùng để nghiên cứu tượng siêu dẫn Các nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp sử dụng nhiều thiết bị đa dạng từ máy quét MRI đến Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) Tuy nhiên, chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, nên chúng cần làm lạnh, yêu cầu dễ dàng Các nhà khoa học LHC làm lạnh hệ thống xuống nhiệt độ hoạt động 1,9K, lạnh không gian vũ trụ bên Họ hoàn thành công việc kì công cách sử dụng He lỏng để làm lạnh phận cỗ máy LHC dài 27km, khiến việc bảo dưỡng công nghệ tốn khó khăn, nên tính ứng dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp chưa cao Điều đặt câu hỏi cho nhà khoa học phải tìm kiếm loại vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha cao Vào năm 1986, J.G Bednorz K.A M ller (Thụy sỹ) tìm tượng siêu dẫn có hợp chất gốm La-Ba-Cu-O với nhiệt độ chuyển pha nằm vùng nhiệt độ nitơ lỏng (77K) Khi sử dụng loại vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha vậy, giúp tiết kiệm chi phí sản xuất nguyên liệu để tạo nitơ lỏng công nghiệp chủ yếu không khí Với phát minh J.G Bednorz K.A M ller nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1987 Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn bắt đầu hướng - siêu dẫn nhiệt độ cao Sự phát minh siêu dẫn nhiệt độ cao mở kỷ nguyên cho ngành vật lý siêu dẫn Nó đánh dấu phát triển vượt bậc trình tìm kiếm nhà vật lý công nghệ lĩnh vực siêu dẫn Sau phát minh J.B.bednorz K.A.muller nhiều chất siêu dẫn xuất hiện, nhiều chất siêu dẫn dạng hợp chất tìm hầu hết chất có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nằm vùng nhiệt độ cao nhiệt độ hóa lỏng nitơ (77K), gọi chung siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) Bảng 1.1 Một số chất siêu dẫn điển hình Tên vật liệu Nhiệt độ chuyển pha Năm phát minh siêu dẫn (TC) K Y(Re)-Ba-Cu-O 80-90 1987 TI-Ba-Ca-Cu-O 115-125 1988 Hg-Ba-Ca-Cu-O 90-161 1993 Ba-Ca-Cu-O 126 1996 Từ bảng 1.1 ta thấy, chất siêu dẫn nhiệt độ cao hợp chất chứa đồng (Cu) oxy (O) Một số lý thuyết tập chung vào mối liên kết đặc Nói chung, trình bốc bay tia laze chia làm ba giai đoạn: - Tương tác xạ laze với bia hình thành khối plasma bề mặt - Khối plasma mở rộng tới đế - Vật liệu chuyển tới lắng đọng bề mặt đế Hình 2.2 Các giai đoạn trình lắng đọng laze xung  Tƣơng tác xạ laze với bia Sự tương tác xung laze phụ thuộc mạnh vào cường độ chùm tia laze đến Trong PLD, cường độ chùm laze vào khoảng (108 đến 109) W/cm2 tương ứng với độ dài vài nano giây Vì vậy, có đủ thời gian cho xung để hấp thụ, làm nóng bề mặt bia Có nhiều chế khác qua lượng chuyển giao cho bia Các chế có tầm quan trọng lớn chùm tia đến bao gồm hạt lớn ion Trong trường hợp photon, chuyển tối đa lượng (E2) không đáng kể người ta nhìn thấy từ phương trình sau: (2.1) Trong phương pháp phún xạ nhiệt, tia laze hấp thụ làm nóng bề mặt bia làm vật liệu tan bốc bay Phún xạ nhiệt coi chế chủ yếu laze bia, photon chiếu đến bia tạo cặp electron - lỗ trống Sau khoảng thời gian vài pico giây lượng truyền đến mạng tinh thể 20 vòng vài nano giây cân điện tử mạng tinh thể đạt Trong thời gian nhiệt độ ảnh hưởng đến phún xạ nhiệt Bước sóng laze tác động đáng kể đến suất cắt bỏ hạt Thông thường laze có bước sóng ngắn (UV) sử dụng nhiều sử dụng bước sóng ngắn phản xạ vật liệu thấp nhiều xạ hồng ngoại Khi phản xạ giảm phần lớn xung laze hấp thụ lớn vùng UV lượng hấp thụ hiệu cao  Khối plasma đƣợc mở rộng tới đế Các vật liệu bốc từ bia phần nguyên tử bị ion hóa Ngoài đám mây hạt hấp thụ lượng chùm laze bị ion hóa Cuối plasma ion hóa hoàn toàn hình thành vùng lân cận (50μm) bia Các plasma mở rộng xa bia, phần nhìn thấy chùm hạt phần cắt bỏ Các chùm hạt bao gồm: nguyên tử trung tính, điện tử, ion Hơn hợp chất khác quan sát gần bề mặt bia Ánh sáng nhìn thấy trình phát quang tổ hợp plasma  Vật liệu đƣợc chuyển tới lắng đọng bề mặt đế Đây bước quan trọng để định tính chất màng Năng lượng lớn dễ làm hư hỏng bề mặt đế Màng mỏng phát triển sau vùng nhiệt hóa hình thành Khi tốc độ ngưng tụ cao tốc độ phún xạ điều kiện cân nhiệt đạt được, màng phát triển nhanh chóng bề mặt đế Sự phát triển màng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: mật độ, lượng, tốc độ ion hóa, nhiệt độ áp suất oxy tính chất hóa lí đế Kĩ thuật PLD có ưu điểm vượt trội so với phương pháp khác với suất bốc bay cao, màng mỏng hình thành với cấu trúc thành phần hợp thức bia Qúa trình bốc bay xảy nhanh đến mức phân hủy thành phần hóa học không kịp hình thành Tốc độ mọc màng cao, khoảng 10nm/phút có khả chế tạo màng mỏng đa lớp 21 Tuy nhiên kĩ thuật PLD có số nhược điểm: - Khối plasma tạo hướng thẳng phía đế, không mở rộng vùng không gian xung quanh, nên chiều dày màng mỏng không đồng nhất, thành phần cấu tạo thay đổi theo chiều dài đế Diện tích vật liệu lắng đọng nhỏ, khoảng 1cm2 - Thiết bị có giá thành cao, nguồn khí sử dụng tạo laze khí hiếm, điện áp cần để tạo xung laze lớn, đến 30kV - Năng lượng xung không ổn định, suy hao trình truyền dẫn theo thời gian Ngoài ra, tia laze sử dụng trình bốc bay nguy hiểm người sử dụng 2.1.2.2 Tối ưu hóa điều kiện chế tạo Phương pháp PLD phụ thuộc vào lượng tia laze, nhiệt độ áp suất oxy Trong khóa luận giữ nguyên lượng chùm laze 250mJ áp suất 200mTorr Nhiệt độ đế thay đổi theo giá trị sau 720oC, 740oC, 760oC, 780oC, 800oC Màng YBCO chế tạo đế SrTiO3 (STO) YBCO STO có cấu trúc dạng perovskite độ lệch mạng tinh thể chúng tính sau: x aYBCO  a STO aYBCO  100%  3.8227  3.905 3.8227  100%  2.15% (2.2) Độ dày mẫu khống chế ~ 300nm cách cố định khoảng cách từ bia đến đến 4.5cm, tần số xung laser 8Hz thời gian tạo mẫu 15 phút Qua ta thấy thay đổi TC tìm nhiệt độ chế tạo tối ưu cho mẫu có TC lớn 2.2 Các phép đo tính chất cấu trúc, tính chất siêu dẫn 2.2.1 Tính chất cấu trúc 2.2.1.1 Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) Phép đo nhiễu xạ tia X sử dụng phổ biến để nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật liệu Từ giản đồ nhiễu xạ tia X xác định 22 pha tinh thể, đồng thời sử dụng để xác định tương đối lượng pha kích thước tinh thể Tia X sóng điện từ có bước sóng khoảng 10nm đến 100pm Tia X có khả xuyên qua nhiều vật chất thể người nên sử dụng y học, khoa học nói chung Khi bước sóng xạ lớn nhiều so với số mạng gây tượng khúc xạ quang học thông thường, ta khảo sát cấu trúc tinh thể vật liệu Nếu bước sóng xạ tới nhỏ số mạng tinh thể xuất hiện tượng nhiễu xạ Bước sóng tia X có bậc với khoảng cách nguyên tử mạng tinh thể Vì vậy, chùm tia X đến bị tán xạ nút mạng tinh thể, tia tán xạ giao thoa với tạo thành cực đại nhiễu xạ quan sát Các chùm tia X nhiễu xạ mặt tinh thể chất rắn, tính tuần hoàn cấu trúc tinh thể tạo nên cực đại cực tiểu Xét chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới tinh thể chất rắn góc tới θ Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, mặt tinh thể cách khoảng đặn d, đóng vai trò giống cách tử nhiễu xạ tạo tượng nhiễu xạ tia X (hình 2.3) Hình 2.3 Sự tán xạ chùm tia X mặt phẳng tinh thể 23 Nếu ta quan sát chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc tới) hiệu quang trình tia tán xạ mặt là: L = 2.d.sin (2.3) Với sóng phản xạ từ mặt phẳng Bragg thoả mãn điều kiện sóng kết hợp: tần số, phương, có độ lệch pha không đổi theo thời gian xảy tượng giao thoa Như vậy, để có cực đại nhiễu xạ phim ảnh góc tới phải thỏa mãn điều kiện: L = 2.d.sin = n (2.4) đó: n = 1, 2,3, Công thức công thức Bragg mô tả tượng nhiễu xạ tia X mặt tinh thể Biểu thức cho thấy với mạng tinh thể có khoảng cách d mặt tinh thể cố định chùm tia X có bước sóng không đổi, tồn nhiều giá trị góc θ thỏa mãn định luật Bragg Kết phổ nhiễu xạ xuất đỉnh nhiễu xạ góc θ khác 2.2.1.2 Phép đo SEM Hình thái bề mặt màng YBCO sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Trong SEM mẫu tạo thành cách sử dụng chùm tia lượng cao electron Các electron sản xuất sung điện từ hút cực dương Trên đường electron chuẩn trực ống kính bình ngưng tụ sau tập trung vào vật kính Cuộn dây sử dụng để quét chùm electron va chạm với bề mặt electron phát electron phát xạ thu vào ống katốt Mặt khác dùng thang đo có gương để quét bề mặt mẫu Sự tươg tác nút với bề mặt làm lệch hướng thường đo cách sử dụng laze phản xạ từ bề mặt giá đỡ thành mảng điốt 24 2.2.2 Tính chất siêu dẫn Để kiểm tra tính chất siêu dẫn mẫu, ta sử dụng phép đo bốn mũi dò Trong phương pháp này, Vôn kế Ampe kế mắc riêng biệt hình 2.4 Hình 2.4 Sơ đồ bố trí Vôn kế Ampe kế phép đo mũi dò Trên sơ đồ ta thấy, hai mũi (1) (4) đo dòng đặt vào, hai mũi (2) (3) đo hiệu hai đầu điện trở Với cách bố trí vậy, ta loại thành phần điện trở hai đầu dò đo dòng vào điện trở tổng cộng Ta tính toán thành phần điện trở hai đầu dò đo theo mạch điện hình Hình 2.5 Sơ đồ phân bố dòng điện, điện trở thành phần mạch điện phép đo mũi dò Gọi đoạn mạch AB đoạn mạch đo hiệu hai đầu điện trở Rs, theo tính chất điện trở đoạn mạch mắc song song ta có: 25 R1 = RV + Rp2 + Rcp2 + Rsp2 + Rp3 + Rcp3 + Rsp3 R2 = Rs (2.5) (2.6) với R1 R2 điện trở đoạn mạch chứa Vôn kế điện trở đoạn mạch chứa điện trở Rs cần đo Dòng điện qua đoạn mạch AB: I = I1 + Is với I1 dòng qua Vôn kế Is dòng qua Rs Thế hiệu hai đầu đoạn mạch chứa VA2B = VASB (2.7) Như vậy, I1 nhỏ (để sụt không đáng kể dòng chạy qua thành phần điện trở) → I ≈ Is Để làm điều này, người ta mắc Vôn kế có trở kháng cao, số Vôn kế xấp xỉ hiệu hai đầu Rs Áp dụng định luật Ôm theo công thức V = IR R = V/I, ta tính giá trị Rs 26 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính chất cấu trúc 3.1.1 Kết đo nhiễu xạ tia X Từ kết thu đo cường độ nhiễu xạ tia X với giá trị nhiệt độ (720, 740, 760, 780, 800)oC áp suất oxy không đổi 200mTorr ta thu đồ thị hình 3.1 740 35000 20 30 40000 (006) 5000 40 50 60 2do) 70 80 10 90 (007) (005) 20 30 40 50 2do) 60 70 80 780 15000 10000 25000 20000 15000 10000 5000 5000 30 40 50 2do) 60 70 80 10 90 (007) 20000 (006) 25000 30000 (005) 30000 (004) Cuong nhieu xa (dvty) 35000 20 30 40 50 60 2do) 20000 800 18000 16000 (006) 14000 12000 6000 2000 (004) 4000 (007) (003) 8000 (005) 10000 (002) Cuong nhieu xa (dvty) 20 10 20 30 90 40000 760 35000 10 10000 (003) 10 15000 (002) 5000 20000 (004) (004) 10000 (007) 15000 (005) (003) 20000 25000 (003) (006) 25000 30000 (002) Cuong nhieu xa (dvty) 35000 30000 Cuong nhieu xa (dvty) STO (300) 40000 720 (002) Cuong nhieu xa (dvty) 40000 40 50 2do) 60 70 80 90 Hình 3.1 Đồ thị nhiễu xạ tia X mẫu YBa2Cu3O7-δ chế tạo nhiệt độ khác 27 70 80 90 Từ đồ thị vẽ ta rút nhận xét: năm mẫu YBCO chế tạo nhiệt độ khác có đỉnh nhiễu xạ tia X định hướng theo hướng (00l) (với l từ đến 7) Khi từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ 780/800oC , tính định hướng theo trục c tăng dần thể qua cường độ nhiễu xạ tia X đỉnh tăng dần Riêng với mẫu 800oC có tượng nhiệt độ cao khiến bề mặt mẫu bị rạn nên giảm tính định hướng theo trục c (các đỉnh mẫu 800oC nhỏ nhất) Vì từ đồ thị ta thấy nhiệt độ 780oC có cường độ nhiễu xạ tia X lớn nhất, gợi ý tính định hướng theo trục c mẫu tốt 28 3.1.2 Kết đo hình thái bề mặt mẫu Từ kết đo SEM ta thu hình ảnh hình 3.2 Hình 3.2 Hình ảnh SEM mẫu YBCO chế tạo nhiệt độ khác 29 Quan sát mẫu chụp ảnh SEM từ nhiệt độ khác ta rút nhận xét sau: - Ở nhiệt độ 740oC: Bề mặt mẫu không nhẵn, bên cạnh hạt chứa Ba, Cu (xem mẫu chế tạo 780oC) có nhiều dạng phân bố hình học (hình vuông, hình chữ nhật, hình que) nằm rải rác mặt mẫu Các thành phần song song với mặt phẳng (ab) khiến cho lớp bề mặt mẫu không hoàn toàn định hướng theo trục c mà ngả dần định hướng theo mặt phẳng (ab)[3,4] Kết tính siêu dẫn mẫu bị giảm - Ở nhiệt độ 780oC: Bề mặt mẫu nhẵn Ngoài có số hạt cỡ (0,5 đến 1)µm (do hệ PLD) Khi ta kiểm tra thành phần hạt hạt chứa Cu, Ba phần YBCO[5] - Ở nhiệt độ 800oC: Bề mặt mẫu bắt đầu bị nhám xuất trạng thái đứt gãy bề mặt vùng vật liệu không hoàn toàn liên kết với kết vùng có tính chất siêu dẫn yếu chiếm tỉ phần đáng kể Hiện tượng nhiệt độ đế cao Từ nhận xét ta rút nhiệt độ 780oC điều kiện chế tạo phù hợp 3.2 Tính chất siêu dẫn Bằng phương pháp mũi dò ta điện trở R phụ thuộc nhiệt độ đo mẫu chế tạo (740, 780, 800)oC Nhiệt độ đo giảm từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ thấp hình 3.3 30 10 740 10 R (Ohm) R (Ohm) 740 T ~ 91.7 K 0 Tc ~ 86.5K 80 -2 80 100 90 100 T (K) 120 110 140 120 160 180 T (K) (b) (a) 10 800 t (oC) TC (K) ΔTC (K) 740 86,5 5,2 780 91 2,7 800 87,5 3,2 8 R (Ohm) R (Ohm) 800 T ~ 90.7 K 86 T c ~ 87.5K 88 90 92 94 96 98 100 T (K) -2 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 T (K) (d) (c) Hình 3.3 Đồ thị điện trở phụ thuộc nhiệt độ màng YBCO chế tạo nhiệt độ (a) 740oC, (b) 780oC, (c) 800oC (d) bảng số liệu so sánh Từ đồ thị bảng số liệu ta thấy rằng: Ở vùng nhiệt độ cao (lớn 95K) điện trở ba màng YBCO có đặc trưng kim loại - điện trở giảm nhiệt độ đo giảm Khi nhiệt độ xấp xỉ (91 đến 92)K điện trở đột ngột giảm 31 hình vẽ đến nhiệt độ xác định (TC) điện trở giảm không (giảm nhiệt độ cách sử dụng He lỏng 4,2K) - Hình 3.3(b) có độ rộng chuyển pha nhỏ điều chứng tỏ nhiệt độ 780oC cho mẫu đồng - Còn hình 3.3(a) 3.3(c) có độ rộng chuyển pha lớn điều chứng tỏ nhiệt độ 740°C 800°C cho mẫu không đồng (tỉ lệ vùng siêu dẫn yếu/ siêu dẫn tốt lớn) Từ kết ta thấy nhiệt độ 780oC điều kiện chế tạo tối ưu nhất, mẫu đồng 32 KẾT LUẬN Trong khóa luận đạt kết sau Đã chế tạo thành công vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao sử dụng phương pháp phản ứng pha rắn Đã nghiên cứu cấu trúc tinh thể hình thái bề mặt mẫu chế tạo nhiệt độ khác (720oC, 740oC, 760oC, 780oC, 800oC) phương pháp XRD SEM Kết cho thấy mẫu chế tạo (YBCO ) định hướng theo trục c, mẫu tạp chất Đã sử dụng phương pháp đo điện trở mũi dò để đo điện trở R phụ thuộc vào nhiệt độ T, từ thấy vùng nhiệt độ cao 95K điện trở mẫu có đặc trưng kim loại nhiệt độ T ~ 91K, 92K điện trở mẫu đột ngột giảm, đến nhiệt độ xác định (TC) điện trở giảm Đã tìm mẫu nhiệt độ 780oC có đỉnh nhiễu xạ cao hình thái bề mặt mẫu nhẵn đều, mẫu có nhiệt độ tới hạn TC cao độ rộng chuyển pha ∆TC nhỏ nhất, từ đưa kết luận mẫu nhiệt độ 780oC điều kiện tối ưu để chế tạo vật liệu siêu dẫn Những kết mở khả ứng dụng màng YBCO có tính siêu dẫn cao, đáp ứng nhu cầu sống khoa học kỹ thuật 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Thân Đức Hiền (2009), Nhập môn siêu dẫn (Vật liệu, tính chất ứng dụng), NXB Bách Khoa, Hà Nội [2] Nguyễn Huy Sinh (2005), Vật lý siêu dẫn, NXB GD Tiếng Anh [3] C.V.Varanasi, J.Burke, J.H.Lee (2008), Appl Phys Lett 93, 092501 [4] S.R.Foltyn, P.Tiwari, R.C.Dye, M.Q.Le and X.D.Wu (1993), Appl Phys Lett 63, 1848 [5] M.Murawaki, N.Sakai, T.Higuchi and S.I.Yoo (1996), Supercond, Sci.Technol 9, 1015 34 [...]... hợp chất Tuy nhiên tính siêu dẫn tồn tại trong các chất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: áp suất, độ sạch của vật liệu, môi trường….Trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, tính siêu dẫn còn phụ thuộc vào quy trình công nghệ tạo mẫu, nhiệt độ nung Các khả năng ứng dụng tiềm tàng của các chất siêu dẫn là hết sức rộng rãi và quan trọng, đến mức nhiều nhà khoa học đã cho rằng, việc phát minh ra chất siêu. .. hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là TC) Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng không được gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là ∆TC) Ví dụ độ rộng chuyển pha của Hg là ∆TC = 5.10-2K Độ rộng chuyển pha ∆TC phụ thuộc vào bản chất. .. nguyên nhân tại sao phải cần đến HTS với Jc cao Và cụ thể ở đây là ta sử dụng vật liệu siêu dẫn YBCO Hay với quy mô nhỏ hơn thì ứng dụng của các chất siêu dẫn là tạo ra băng siêu dẫn Thế hệ đầu tiên của băng siêu dẫn sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao mang tên gọi là Silver - Sheathed Bi - Compound Tape Tại 77K thì băng này có thể tải dòng điện với cường độ là 110A và chiều dài của băng là hơn 1000m Từ... tất cả các vật liệu, bao gồm cả chất siêu dẫn nhiệt độ cao như YBCO Bằng cách sử 5 dụng PLD, đã làm cho việc chế tạo màng mỏng YBCO đơn giản hơn và đặc biệt là dễ dàng thay đổi tính chất của chúng Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao có rất nhiều ứng dụng Về nguyên tắc, khi dòng điện bắt đầu chạy trong một vòng siêu dẫn, gần như nó có thể chạy…mãi Cùng kích thước, chất siêu dẫn mang một lượng điện lớn hơn dây... Công thức này chỉ đúng cho một số chất siêu dẫn nhất định, chủ yếu là các chất siêu dẫn đơn kim loại (còn gọi là chất siêu dẫn lý tưởng) Các chất siêu dẫn là hợp chất, hợp kim hoặc chất siêu dẫn có tạp chất đều không thỏa mãn hệ thức Silsbee (còn gọi là các chất siêu dẫn không lý tưởng) Ngoài khái niệm dòng tới hạn Ic thông thường, người ta còn dùng khái niệm mật độ dòng tới hạn Jc để thay khái niệm... cùng của toàn bộ quá trình này là kết hợp các hợp chất bắt đầu ở cấp độ phân tử Một lưu ý quan trọng về nhiệt độ: Nhiệt độ lò nêu ở đây là nhiệt độ như chúng thường đo được trên các chỉ số nhiệt độ của lò Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt độ ta đọc được luôn cao hơn nhiệt độ thực của mẫu trong lò ủ Chính vì vậy, nhiệt độ tối đa đọc được không bao giờ được phép vượt quá 980oC  Nung sơ cấp Mục đích của. .. trúc tinh thể của siêu dẫn (123) là dạng trực thoi với kích thước trục b lớn hơn trục a Tính chất siêu dẫn của vật liệu đạt được hay không là nhờ vào nồng độ ôxy, khi nồng độ ôxy lớn hơn 6,4 vật liệu là chất siêu dẫn còn nhỏ hơn 6,4 là chất cách điện 1.4 Mục đích nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Ngày nay hầu hết các dây cáp điện đều có lõi được làm bằng đồng Ta đã biết là điện trở của đồng tương... không chuyển động nữa dưới tác dụng của lực 12 Lorenxo Lúc đó ta cần một lực hãm có độ lớn bằng độ lớn lực Lorenxo để vật liệu giữ được tính siêu dẫn Lực hãm tính theo công thức trên một đơn vị chiều dài của tâm xoáy từ Lực Lorenxo tính theo công thức ext × (1.4) Khi ƒP > ƒL thì vật liệu duy trì được tính siêu dẫn 1.3 Cấu trúc tinh thể của vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7-  Vật liệu siêu dẫn YBa2Cu3O7- ... siêu dẫn yếu chiếm tỉ phần đáng kể Hiện tượng này có thể do nhiệt độ đế quá cao Từ các nhận xét trên ta có thể rút ra được là ở nhiệt độ 780oC là điều kiện chế tạo phù hợp 3.2 Tính chất siêu dẫn Bằng phương pháp 4 mũi dò ta điện trở R phụ thuộc nhiệt độ đo của các mẫu chế tạo ở (740, 780, 800)oC Nhiệt độ đo sẽ giảm từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ thấp như trên hình 3.3 30 ... điện trở của Hg biến mất (hoặc xắp xỉ bằng không) thể hiện trên hình 1.3 Ở nhiệt độ xác định, nếu điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó có thể cho phép dòng điên chạy qua trong trạng thái không có điện trở, trạng thái đó được gọi là trạng thái siêu dẫn Chất có biểu hiện trạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn Nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất được gọi là nhiệt độ tới ... ảnh hưởng nhiệt độ chế tạo lên tính chất màng siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7- δ Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7- δ - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ. .. Ảnh hưởng nhiệt độ đế lên tính chất màng siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7- δ” làm khóa luận tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao YBa2Cu3O7- δ - Nghiên cứu ảnh. .. vực siêu dẫn Sau phát minh J.B.bednorz K.A.muller nhiều chất siêu dẫn xuất hiện, nhiều chất siêu dẫn dạng hợp chất tìm hầu hết chất có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nằm vùng nhiệt độ cao nhiệt độ